计算机网络：这是一份全面图解 tcp & 详细的 TCP 协议攻略

马小轩

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发布于: 1 小时前

前言

计算机网络基础该是程序猿需掌握的知识，但往往会被忽略
今天，我将详细讲解计算机网络中最重要的 TCP 协议，含其特点、三次握手、四次挥手、无差错传输等知识，希望你们会喜欢。

阅读本文前，请先了解计算机网络基础知识：献上一份全面 & 详细的计算机网络基础学习指南

1. 定义

Transmission Control Protocol，即传输控制协议

属于传输层通信协议基于 TCP 的应用层协议有 HTTP、SMTP、FTP、Telnet 和 POP3

2 特点

面向连接、面向字节流、全双工通信、可靠
具体介绍如下：

示意图

3. 优缺点

优点：数据传输可靠
缺点：效率慢（因需建立连接、发送确认包等）

4. 应用场景（对应的应用层协议）

要求通信数据可靠时，即数据要准确无误地传递给对方

如：传输文件：HTTP、HTTPS、FTP 等协议；传输邮件：POP、SMTP 等协议

万维网：HTTP 协议
文件传输：FTP 协议
电子邮件：SMTP 协议
远程终端接入：TELNET 协议

5. 报文段格式

TCP 虽面向字节流，但传送的数据单元 = 报文段
报文段 = 首部 + 数据 2 部分
TCP 的全部功能体现在它首部中各字段的作用，故下面主要讲解 TCP 报文段的首部

首部前 20 个字符固定、后面有 4n 个字节是根据需而增加的选项故 TCP 首部最小长度 = 20 字节

示意图

6. 建立连接过程

TCP 建立连接需 三次握手
具体介绍如下

示意图

成功进行 TCP 的三次握手后，就建立起一条 TCP 连接，即可传送应用层数据

注
因 TCP 提供的是全双工通信，故通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据三次握手期间，任何 1 次未收到对面的回复，则都会重发

特别说明：为什么 TCP 建立连接需三次握手？

结论防止服务器端因接收了早已失效的连接请求报文，从而一直等待客户端请求，最终导致形成死锁、浪费资源
具体描述

具体描述

SYN 洪泛攻击：
从上可看出：服务端的 TCP 资源分配时刻 = 完成第二次握手时；而客户端的 TCP 资源分配时刻 = 完成第三次握手时这就使得服务器易于受到 SYN 洪泛攻击，即同时多个客户端发起连接请求，从而需进行多个请求的 TCP 连接资源分配

7. 释放连接过程

在通信结束后，双方都可以释放连接，共需 四次挥手
具体如下

示意图

特别说明：为什么 TCP 释放连接需四次挥手？

结论

为了保证通信双方都能通知对方需释放 & 断开连接

即释放连接后，都无法接收 / 发送消息给对方

具体描述

示意图

延伸疑问：为什么客户端关闭连接前要等待 2MSL 时间？
即 TIME - WAIT 状态的作用是什么； MSL = 最长报文段寿命（Maximum Segment Lifetime）

原因 1：为了保证客户端发送的最后 1 个连接释放确认报文能到达服务器，从而使得服务器能正常释放连接

示意图

原因 2：防止上文提到的早已失效的连接请求报文出现在本连接中

客户端发送了最后 1 个连接释放请求确认报文后，再经过 2MSL 时间，则可使本连接持续时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。

即在下 1 个新的连接中就不会出现早已失效的连接请求报文

8. 无差错传输

对比于 UDP，TCP 的传输是可靠的、无差错的
那么，为什么 TCP 的传输为什么是可靠的、无差错的呢？
下面，我将详细讲解 TCP 协议的无差错传输

8.1 含义

无差错：即传输信道不出差错
发送 & 接收效率匹配：即无论发送方以多快的速度发送数据，接收方总来得及处理收到的数据

8.2 基础：滑动窗口协议

先理解 2 个基础概念：发送窗口、接收窗口

示意图

工作原理

对于发送端：

每收到一个确认帧，发送窗口就向前滑动一个帧的距离
当发送窗口内无可发送的帧时（即窗口内的帧全部是已发送但未收到确认的帧），发送方就会停止发送，直到收到接收方发送的确认帧使窗口移动，窗口内有可以发送的帧，之后才开始继续发送

具体如下图：

示意图

对于接收端：当收到数据帧后，将窗口向前移动一个位置，并发回确认帧，若收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律丢弃。

示意图

滑动窗口协议的重要特性

只有接收窗口向前滑动、接收方发送了确认帧时，发送窗口才有可能（只有发送方收到确认帧才是一定）向前滑动
停止-等待协议、后退 N 帧协议 & 选择重传协议只是在发送窗口大小和接收窗口大小上有所差别：

停止等待协议：发送窗口大小=1，接收窗口大小=1；即单帧滑动窗口等于停止-等待协议后退 N 帧协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小=1。选择重传协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小>1。

当接收窗口的大小为 1 时，可保证帧有序接收。
数据链路层的滑动窗口协议中，窗口的大小在传输过程中是固定的（注意要与 TCP 的滑动窗口协议区别）

8.3 实现无差错传输的解决方案

核心思想：采用一些可靠传输协议，使得

出现差错时，让发送方重传差错数据：即出错重传
当接收方来不及接收收到的数据时，可通知发送方降低发送数据的效率：即速度匹配

针对上述 2 个问题，分别采用的解决方案是：自动重传协议和流量控制 & 拥塞控制协议

解决方案 1：自动重传请求协议 ARQ（针对出错重传）

定义

即 Auto Repeat reQuest，具体介绍如下：

示意图

类型

示意图

下面，将主要讲解上述 3 类协议

类型 1：停等式 ARQ（Stop-and-Wait）

原理：（单帧滑动窗口）停止 - 等待协议 + 超时重传

即：发送窗口大小=1、接收窗口大小=1

停止 - 等待协议的协议原理如下：

发送方每发送一帧，要等到接收方的应答信号后才能发送下一帧接收方每接收一帧，都要反馈一个应答信号，表示可接下一帧若接收方不反馈应答信号，则发送方必须一直等待

类型 2：后退 N 帧协议

也称：连续 ARQ 协议

原理

多帧滑动窗口 + 累计确认 + 后退 N 帧 + 超时重传

即：发送窗口大小>1、接收窗口大小=1

具体描述

a. 发送方：采用多帧滑动窗口的原理，可连续发送多个数据帧而不需等待对方确认 b. 接收方：采用 累计确认 & 后退 N 帧的原理，只允许按顺序接收帧。具体原理如下：

示意图

示例讲解

本示例 = 源站向目的站发送数据帧。具体示例如下：

示意图

类型 3：选择重传 ARQ（Selective Repeat）

原理

多帧滑动窗口 + 累计确认 + 后退 N 帧 + 超时重传

即：发送窗口大小>1、接收窗口大小>1

类似于类型 2（后退 N 帧协议），此处仅仅是接收窗口大小的区别，故此处不作过多描述

特点

a. 优：因连续发送数据帧而提高了信道的利用率 b. 缺：重传时又必须把原来已经传送正确的数据帧进行重传（仅因为这些数据帧前面有一个数据帧出了错），将导致传送效率降低

由此可见，若信道传输质量很差，导致误码率较大时，后退 N 帧协议不一定优于停止-等待协议

解决方案 2：流量控制 & 拥塞控制（针对速度匹配）

措施 1：流量控制

简介

示意图

示例

示意图

特别注意：死锁问题

示意图

措施 2：拥塞控制

定义

防止过多的数据注入到网络中，使得网络中的路由器 & 链路不致于过载

拥塞：对网络中的资源需求 > 该资源所能提供的部分

与 “流量控制”的区别

示意图

具体解决方案

共分为 2 个解决方案：慢开始 & 拥塞避免、快重传 & 快恢复

其中，涉及 4 种算法，即慢开始 & 拥塞避免、快重传 & 快恢复

具体介绍如下

解决方案 1：慢开始 & 拥塞避免

1.1 储备知识：拥塞窗口、慢开始算法、拥塞避免算法

a. 拥塞窗口

发送方维持一个状态变量：拥塞窗口（cwnd， congestion window ），具体介绍如下

示意图

b. 慢开始算法

原理当主机开始发送数据时，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值（即发送窗口数值），从而由小到大逐渐增大发送报文段
目的开始传输时，试探网络的拥塞情况
具体措施

示意图

示意图

示意图

特别注意

慢开始的“慢”指：一开始发送报文段时拥塞窗口（cwnd）设置得较小（为 1），使得发送方在开始时只发送一个报文段（目的是试探一下网络的拥塞情况）

并不是指拥塞窗口（cwnd）的增长速率慢

c. 拥塞避免算法

原理

使得拥塞窗口（cwnd）按线性规律缓慢增长：每经过一个往返时间 RTT，发送方的拥塞窗口（cwnd）加 1

拥塞避免并不可避免拥塞，只是将拥塞窗口按现行规律缓慢增长，使得网络比较不容易出现拥塞相比慢开始算法的加倍，拥塞窗口增长速率缓慢得多

示意图

示意图

1.2 解决方案描述（慢开始 & 拥塞避免）

为了防止拥塞窗口（cwnd）增长过大而引起网络拥塞，采用慢开始 & 拥塞避免 2 种算法，具体规则如下

示意图

实例说明

示意图

解决方案 2：快重传 & 快恢复

快重传 & 快恢复的解决方案是对慢开始 & 拥塞避免算法的改进

2.1 储备知识：快重传算法、快恢复算法

a. 快重传算法

原理接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方），而不要等到自己发送数据时才进行捎带确认发送方只要一连收到 3 个重复确认就立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器到期
作用由于发送方尽早重传未被确认的报文段，因此采用快重传后可以使整个网络吞吐量提高约 20%
示意图